橋梁施工對既有鐵路隧道的影響分析

董云生

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京市 102600）

為了維護(hù)鐵路運(yùn)營安全，涉鐵工程多采用橋梁方案而非路基方案上跨鐵路隧道。以廣州從化至黃埔高速公路上跨廣州樞紐東北貨車外繞線大梅山隧道為依托，運(yùn)用有限元分析軟件MIDASGTSNX對橋梁上跨大梅山隧道段落進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對隧道收斂變形及其二次襯砌安全性進(jìn)行預(yù)測。

1 工程概況

大梅山隧道采用單洞雙線形式，進(jìn)口位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)境內(nèi)，出口位于蘿崗區(qū)境內(nèi)，線路近東西走向約（82°～97°）。隧道進(jìn)口里程DIIK33+404，隧道出口里程DIIK37+653.79，隧道全長4249.79m，隧道最大埋深約87m。隧道穿越地層主要為強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖等，隧址區(qū)為廣花復(fù)式向斜的右翼，處于恩平-新豐斷裂帶和高要-惠來斷裂帶之間，未與斷裂構(gòu)造相交。

廣州從化至黃埔高速公路與廣州樞紐東北貨車外繞線交叉于 DIIK34+617.8，軌頂標(biāo)高為81.193m，地面標(biāo)高為106.408m，橋梁上部采用25m+40m+3×25m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁、簡支T梁，橋墩樁基距離隧道邊緣凈距最小為12.2m，左右幅1號、2號橋墩樁底標(biāo)高均低于隧道仰拱標(biāo)高。大梅山隧道與橋梁位置關(guān)系，見圖1、圖2。

大梅山隧道在交叉節(jié)點(diǎn)附近段落采用Ⅴb型襯砌，Φ42超前小導(dǎo)管注漿加固地層，三臺階臨時仰拱法施工，埋深約17m，地層分布自上而下為砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。隧道洞身位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 計算假定

從理論上講，模型幾何范圍應(yīng)該取到應(yīng)力增量或者位移增量可忽略不計的位置；從經(jīng)驗(yàn)上來講，一般可取3～5倍研究區(qū)域尺寸［1］。為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確，同時兼顧計算效率，模型尺寸采用200m×150m×120m（X方向×Y方向×Z方向），其中X、Y、Z方向分別指隧道橫斷面方向、縱斷面方向以及重力方向。有限元模型中，承臺和地層采用混合網(wǎng)格生成器優(yōu)先生成六面體單元，不滿足的情況下使用四面體和五面體單元過渡；基樁采用一維梁單元模擬，基樁內(nèi)力通過梁單元與地層實(shí)體單元的共享節(jié)點(diǎn)傳遞到地層中；隧道二次襯砌采用二維板單元模擬。

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014），高速公路車道荷載為公路—Ⅰ級，荷載標(biāo)準(zhǔn)值為q＝10.5 kN／m。在建模中，將橋梁上部結(jié)構(gòu)及承臺上回填覆土轉(zhuǎn)化為作用在承臺頂面上的垂直均布壓力，經(jīng)計算左右側(cè)承臺頂面上作用荷載分別為230kPa、200kPa。

有限元模型中共有98433個單元，55546個節(jié)點(diǎn)，171435個自由度。其中隧道二次襯砌有1558個單元，1599個節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格在隧道周圍分布較密，往外則逐漸變疏。整體有限元模型，見圖3，大梅山隧道與橋梁基樁關(guān)系，見圖4。

2.2 計算參數(shù)及邊界條件

由于樁基礎(chǔ)穿過的全風(fēng)化花崗巖地層很薄，模型中僅考慮砂質(zhì)粘性土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層。土體考慮彈塑性，采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型；橋梁樁基礎(chǔ)及隧道二次襯砌采用彈性本構(gòu)模型。數(shù)值模型各材料物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 各材料物理力學(xué)參數(shù)

有限元模型上部施加法向荷載邊界，模型各側(cè)面及底部施加法向位移約束邊界［2］。模擬施工步驟：形成自重地應(yīng)力場→隧道開挖釋放一定荷載→施作二次襯砌釋放剩余荷載→橋梁樁基礎(chǔ)施工→施加橋梁荷載。其中，通過鈍化地層實(shí)體單元、二襯板單元，以實(shí)現(xiàn)對隧道開挖的模擬；通過激活基樁梁單元和改變承臺實(shí)體單元的屬性，以實(shí)現(xiàn)對橋梁樁基礎(chǔ)施工的模擬［3-4］。

2.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

2.3.1 位移分析

橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載作用在承臺上，通過樁基礎(chǔ)傳遞到地層中，進(jìn)而間接地對大梅山隧道結(jié)構(gòu)影響。隧道靠近樁基礎(chǔ)的段落勢必受到的影響更為顯著。樁基礎(chǔ)及隧道襯砌豎向位移，見圖5、圖6。

由圖5可知：在橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，樁基礎(chǔ)及大梅山隧道襯砌均發(fā)生了豎向位移，且樁基礎(chǔ)的豎向位移大于隧道襯砌的豎向位移。左側(cè)樁基礎(chǔ)

的豎向位移大于右側(cè)樁基礎(chǔ)的豎向位移，這是因?yàn)樽髠?cè)承臺上方回填土較厚，換算的荷載較大，導(dǎo)致左側(cè)承臺施加的荷載大于右側(cè)承臺上施加的荷載。

由圖6可知：橋梁施工及其上部結(jié)構(gòu)荷載，確實(shí)對大梅山隧道產(chǎn)生了一定程度的影響；靠近樁基礎(chǔ)的隧道段落的襯砌產(chǎn)生的豎向位移最大，隨著距離的增大，大梅山隧道受到的影響越來越小。大梅山隧道襯砌最大豎向位移約1.1mm，小于既有線隧道結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)5mm［5］。

2.3.2 應(yīng)力分析

在橋梁施工及其上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，近樁基礎(chǔ)段落隧道圍巖勢必發(fā)生應(yīng)力重分布。在評估隧道安全性時，有必要對其圍巖應(yīng)力情況進(jìn)行分析。樁基礎(chǔ)附近地層巖體小主應(yīng)力和大主應(yīng)力，分別見圖7、圖8。

由圖7、圖8可知：地層的應(yīng)力分布以自重應(yīng)力為主；在隧道拱頂以及仰拱部位有輕微的應(yīng)力集中顯現(xiàn)，但主要出現(xiàn)在仰拱部位。仰拱應(yīng)力集中處，最大主應(yīng)力約為73.407kPa，最小主應(yīng)力約為-195.020kPa。

2.3.3 襯砌安全系數(shù)檢算

為了進(jìn)一步明確在橋梁施工及其上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，大梅山隧道的襯砌結(jié)構(gòu)是否滿足安全性要求，需要對其襯砌進(jìn)行校核。大梅山隧道襯砌內(nèi)力結(jié)果（軸力、彎矩），見圖9、圖10。

選取最不利襯砌斷面進(jìn)行受力安全性檢算，取隧道襯砌的拱頂、左右邊墻、左右墻腳以及仰拱這些特征點(diǎn)處軸力與彎矩值，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003-2016）計算安全系數(shù)，檢算結(jié)果如表2所示。這里選取左右側(cè)特征點(diǎn)，是因?yàn)榇竺飞剿淼雷笥覀?cè)樁基礎(chǔ)的上部荷載是非對稱的，導(dǎo)致隧道受到的作用也是非對稱的。

由圖9、圖10及表2的截面強(qiáng)度檢算結(jié)果顯示，隧道襯砌結(jié)構(gòu)各處的破壞類型均為偏心受壓破壞，且襯砌截面強(qiáng)度抗壓滿足規(guī)范安全系數(shù)2.0的要求。

3 結(jié)論

（1）大梅山隧道襯砌結(jié)構(gòu)在橋梁施工及其上部結(jié)構(gòu)荷載作用下發(fā)生了豎向位移，豎向位移最大值約1.1mm，小于規(guī)范要求的控制標(biāo)準(zhǔn)值5mm。

表2 既有隧道襯砌安全系數(shù)檢算表

（2）橋梁施工未對大梅山隧道在樁基礎(chǔ)附近的圍巖應(yīng)力情況產(chǎn)生明顯影響。

（3）提取最不利斷面的內(nèi)力結(jié)果，對既有隧道襯砌截面強(qiáng)度進(jìn)行檢算，結(jié)果表明隧道襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。